CN106847001A - 一种牛顿第一定律实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牛顿第一定律实验方法，选取两个光电门，分别为第一光电门、第二光电门，并均与计时装置连接，选取轻质金属球小球，选取透明的液体介质，装入细长玻璃筒内；将轻质金属小球投入装满缝纫机油的玻璃筒内，小球在缝纫机油内自由下落，达到匀速运动时，通过数字计时装置测出小球通过不同位置时，在相等的距离内所用的时间相等，证明小球在所受合外力为零时做匀速直线运动，从而精确验证牛顿第一定律。被测物体是真实的匀速直线运动，实验方法合理、独特，结果准确，并可作为产生匀速直线运动的装置用于其它实验中。

Description

一种牛顿第一定律实验方法

技术领域

本发明涉及一种物理实验方法，尤其涉及一种牛顿第一定律实验方法。

背景技术

在中学物理教学中，牛顿第一定律是一个重要学习内容。牛顿第一定律表明，一切物体在没有受到力的作用时(合外力为零时)，总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态。它是物理学中一条基本力学定律。

由于地球引力的存在，没有受到外力作用的物体并不存在，在验证牛顿第一定律的实验中，物体在没有受到力的作用(合外力为零)时保持静止的示例很多，但是在验证物体在受到合外力为零的力的作用时，物体保持匀速直线运动状态的现象很难找到，由于摩擦力的存在，很难得到纯粹的物体做匀速直线运动状态，常见的较为准确的是利用气垫导轨，让小车通过不同的光电门，所用时间相同，说明在摩擦阻力极小、忽略空气阻力情况下，小车近似匀速直线运动。但是这种方法一是设备较大，需要专门的场地才能进行；二是实验中噪音很大，影响环境，影响实验教学的效果；三是实验结果并不准确，因为小车确实不是在做匀速直线运动，光电门所测得的是小车运行到不同位置区间时的速度，由于摩擦力、空气的粘滞阻力等影响，所以小车通过各个光电门所在的位置区间所用的时间并不相等，有时差距很大，难以让学生相信小车是在做匀速直线运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种实验方法，实现物体在受到合外力为零的力的作用时，总保持匀速直线运动状态，从而精确的验证牛顿第一定律。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种牛顿第一定律实验方法，包括：

选取两个光电门，分别为第一光电门、第二光电门，并均与计时装置连接。

作为优选，计时装置选用HA8-J0201-CC型数字计时器，该计时器具有两种计时工作状态：(1)“S1”状态，任一光电门遮光时开始计时，遮光结束后停止计时，仪器屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间。(2)“S2”状态，第一光电门4遮光时开始计时，第二光电门5遮光时停止计时，仪器屏幕可依次显示出前10个两次遮光的间隔时间。

选取轻质金属小球；

作为优选，小球为铝制轻质金属球，直径为5mm。

选取透明的液体介质，装入细长玻璃筒内；

作为优选，所述的的液体介质选择粘滞系数较大的透明的缝纫机油。

将轻质金属小球投入装满透明的缝纫机油的玻璃筒内，小球在缝纫机油内自由下落，如果小球在液体中下落的速度很小，而且液体在各个方向上都是无限宽广的，由斯托克斯定律可得到液体的粘滞阻力F₁

F₁＝6πηVR

式中：

η为液体的粘滞系数；

V是小球下落的速度；

R是小球的半径。

小球在液体中下落时，重力G向下，浮力F和液体的粘滞阻力F₁向上，液体的粘滞阻力随小球速度的增加而增加，小球从静止开始做加速运动，当小球下落速度达到一定大小时，这三个力之和等于零，于是小球就以匀速下落，这个速度称为收尾速度V₀。

本实验装置中，实际液体远远不能满足无限宽广的条件，所以由于玻璃筒直径相对于小球不满足无限宽广所带来的影响，对小球产生了附加的作用力，不能满足托克斯定律公式。由流体力学可知，当小球处于玻璃筒的中心自由下落时，器壁对液体介质的挤压作用对小球产生的横向力相互抵消，仅在小球下落过程中产生一个向上的阻力F₂，当F₂与粘滞阻力F₁、重力G以及浮力F相平衡时，即小球所受合外力之和等于零，于是小球保持平衡时的速度不再变化，以匀直线速下落。这个匀速下落的速度为V₀′，V₀′并不等于V₀，但仍是恒定的速度，所以小球仍以V₀′的速度做匀速直线运动，如图2所示。

轻质金属小球在液体中自由下落时，不用考虑液体是否无限宽广的影响，所以盛放液体的玻璃筒内径可以做得很小，选取玻璃筒内径为10～20mm，小球的直径可以做得较大，选取轻质小球的直径为5～7mm，保证小球下落时通过光电门发光装置发出的光线，实现遮光计时。

实验中，首先将轻质金属小球投入装满缝纫机油的玻璃筒的中心处，金属小球在缝纫机油内自由下落，通过观察判定小球在透明的缝纫机油内自由下落达到匀速运动V₀′，在玻璃筒上相对于此时小球所在的位置做出标记，即在玻璃筒上画一条横线。然后将第一光电门、第二光电门调整至该横线以下，二光电门之间保持大约20厘米左右距离。

采用两种方法验证小球确实是匀速运动状态，并测量出小球运动的速度V₀′：

方法一：小球通过第一光电门，遮光时开始计时，遮光结束后停止计时；小球继续通过第二光电门，同样遮光时开始计时，遮光结束后停止计时，仪器屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间，可以看出小球通过两个光电门时遮光时间是相等的，可以证明小球是在做匀速运动。通过测量小球的直径，则小球的直径除以遮光时间，即为小球的运行速度V₀′。或者说小球在下落速度达到V₀′时，所受合外力为零，保持速度为V₀′的匀速直线运动。

方法二：将第一光电门、第二光电门之间距离调整为某一整数值，小球通过第一光电门遮光时数字计时器开始计时，通过第二光电门遮光时停止计时，仪器屏幕显示出两次遮光的间隔时间，用小球通过两光电门的距离除以小球两次遮光的间隔时间，即可得到小球运行的速度。然后将第二光电门每次下移10厘米，同样的方法操作3-5次，可以看到小球通过两光电门的距离增加一倍，小球两次遮光的间隔时间也增加一倍，可以说明小球在合外力为零时，保持匀速直线运动。而且匀速直线运动的速度V₀′是一个定值。

通过该实验可以精确地证明牛顿第一定律，即一切物体在没有受到力的作用时(合外力为零时)，总保持匀速直线运动状态或静止状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例提供的牛顿第一定律实验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的牛顿第一定律实验方法的原理图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

一种牛顿第一定律实验方法，包括：

装置调整，首先向玻璃筒内加入所选取的透明液体介质，如透明的缝纫机油至略低于玻璃筒1的管口，然后将玻璃筒置于水平的平台上，目的是为了使得玻璃筒处于和水平面保持垂直状态，这样才能保证小球始终沿着玻璃筒1的中心位置自由下落，也使得小球所受到筒壁影响产生的横向力相互抵消，保证了筒壁对小球所产生作用力的合力F₂方向向上。

在正式测量前，需要大致判断出小球下落受力达到平衡时的位置，具体操作是将轻质金属小球投入装满缝纫机油的玻璃筒的中心处，小球在缝纫机油内自由下落，小球由初速度为零开始速度逐渐增大，当速度达到V₀′时，小球所受到的合外力为零，开始以V₀′的恒定速度做匀速直线运动，通过观察即可判定小球在缝纫机油内开始做匀速运动的位置，在玻璃筒上相对于此位置做出标记，即在玻璃筒上画一条横线。然后将第一光电门、第二光电门调整至该横线以下，并保持二光电门之间距离大约20厘米左右。注意小球在接近玻璃筒的底部时，因筒底对液体的挤压作用，使得液体的粘滞阻力逐渐增大，小球所受到的合外力不再为零，不是匀速直线运动状态，所以第二光电门应在距离玻璃筒底部约10厘米以上。

以下分为两种方法验证小球确实是匀速运动状态，并测量出小球运动的速度V₀′：

一是将HA8-J0201-CC型数字计时器置于“S1”状态。当小球通过第一光电门，遮光时开始计时，遮光结束后停止计时，小球继续通过第二光电门，同样遮光时开始计时，遮光结束后停止计时，仪器屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间，可以看出小球通过两个光电门时遮光时间基本上是相等的。通过测量小球的直径，则小球的直径除以遮光时间，即为小球的运行速度，可以得到小球通过第一光电门、第二光电门时的运行速度相等。所以小球在下落速度达到V₀′时，所受合外力为零，保持速度为V₀′的匀速直线运动。

二是将HA8-J0201-CC型数字计时器置于“S2”状态。为方便实验操作，将第一光电门、第二光电门之间距离调整为某一整数值，如间距10厘米，小球通过第一光电门遮光时数字计时器开始计时，通过第二光电门遮光时停止计时，仪器屏幕显示出两次遮光的间隔时间，用小球通过两光电门的距离除以小球两次遮光的间隔时间，即可得到小球运行的速度。然后将第二光电门每次下移10厘米，同样的方法操作3-5次，可以看到小球通过两光电门的距离增加一倍，小球两次遮光的间隔时间也增加一倍，可以说明小球在合外力为零时，保持匀速直线运动，而且匀速直线运动的速度V₀′是一个定值，除非改变小球的质量或改变液体的粘滞系数等实验条件。

以上两种测量方法中，第二种方法将数字计时器置于“S2”状态，测量精度高于第一种方法。这是因为小球在测量条件不变的情况下，实际匀速运动的速度V₀′是恒定的。在小球下落的数次测量中，小球运行的距离长，所经历的间隔时间也长，二者相除后，各次测量的匀速运动的速度值相差极小，即相对误差减小。

通过该实验可以精确地证明牛顿第一定律，即一切物体在没有受到力的作用时(合外力为零时)，总保持匀速直线运动状态或静止状态。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的牛顿第一定律实验方法具有如下特点：

(1)小球自由下落达到平衡时，所受到的合外力为零，被测物体不是做近似的匀速运动，而是真实的在做匀速直线运动，数字计时装置又具有较高的精度，所以通过本发明的实验方法可以精确验证牛顿第一定律，并可作为产生匀速直线运动的通用装置用于其它实验中。

(2)由于小球在液体中自由下落时，不用考虑液体是否无限宽广的影响，所以盛放液体的玻璃筒内径可以做得很小，小球的直径可以做得较大，而光电门尺寸也较小，较容易的保证小球下落时通过光电门发光装置发出的光线，实现遮光计时。所以调整方便，操作快捷，成功率高。

(3)改变小球的质量，或将缝纫机油改换为粘滞系数不同的其它液体，小球匀速下落的速度V₀′发生改变，但仍为匀速直线运动。

(4)小球在液体中被折光放大，并以缓慢的速度匀速下降，方便观察，既可以作演示实验，也可以做定量实验。

所以一种牛顿第一定律实验方法，操作方法简单，没有噪音，在任何地点都可以操作，精确验证牛顿第一定律。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种牛顿第一定律实验方法，其特征在于，包括

选取两个光电门，分别为第一光电门、第二光电门，并均与计时装置连接；

选取轻质金属球小球；

选取透明的液体介质，装入细长玻璃筒内；

所述的的液体介质选择粘滞系数较大的透明的缝纫机油；

将轻质金属小球投入装满缝纫机油的细长玻璃筒内，在液体为非无限宽广的条件下，小球在液体中下落的速度很小，器壁对液体介质的挤压作用对小球产生的横向力相互抵消，仅在小球下落过程中产生一个向上的阻力F₂，当F₂与粘滞阻力F₁、重力G以及浮力F相平衡时，即小球所受合外力之和等于零，于是小球保持平衡时的速度不再变化，以匀直线速下落。

2.根据权利要求1所述的牛顿第一定律实验方法，其特征在于，所述的小球在缝纫机油内自由下落达到匀速运动时，玻璃筒上相对于此时小球所在的位置做出标记，即在玻璃筒1上画一条横线，然后将第一光电门、第二光电门调整至该横线以下，二光电门之间保持20厘米距离。

3.根据权利要求1所述的牛顿第一定律实验方法，其特征在于实验方法，包括：

当小球通过第一光电门，遮光时开始计时，遮光结束后停止计时，小球继续通过第二光电门，同样遮光时开始计时，遮光结束后停止计时，仪器屏幕依次显示出遮光次数和遮光时间，可以看出小球通过两个光电门时遮光时间是相等的，则用小球的直径除以遮光时间，即为小球的运行速度，可以得到小球通过第一光电门、第二光电门时运行速度相等。

4.根据权利要求1所述的牛顿第一定律实验方法，其特征在于实验方法，包括：

将第一光电门、第二光电门之间距离调整为某一整数值，如间距10厘米，小球通过第一光电门遮光时数字计时器开始计时，通过第二光电门遮光时停止计时，仪器屏幕显示出两次遮光的间隔时间，然后将第二光电门每次下移10厘米，同样的方法操作3-5次，可以看到小球通过两光电门的距离增加一倍，小球两次遮光的间隔时间也增加一倍。

5.根据权利要求1所述的牛顿第一定律实验方法，其特征在于，所述的轻质金属小球在液体中自由下落时，不用考虑液体是否无限宽广的影响，所以盛放液体的玻璃筒内径可以做得很小，玻璃筒内径为10～20mm，小球的直径可以做得较大，小球的直径为5～7mm，保证小球下落时容易通过光电门发光装置发出的光线，实现遮光计时。

6.根据权利要求1所述的牛顿第一定律实验方法，其特征在于，所述的小球自由下落达到平衡时，所受到的合外力为零，被测量的小球是真实的做匀速直线运动。